Die Erfindung betri f ft ein Autofokus-Verfahren, also ein Verfahren zum automatisierten Auf finden einer momentanen Best- Fokusebene . Bei diesem Verfahren wird durch Verstimmen einer Fokuslinse eines optischen Abbildungssystems die Lage einer Fokusebene des optischen Abbildungssystems innerhalb eines Scan-Bereichs entlang einer optischen z-Achse verschoben . Dieses Verschieben der Fokusebene wird auch als z-Scan bezeichnet . Das Verstimmen der Fokuslinse kann beispielsweise durch Verschieben der Fokuslinse und/oder durch Durchstimmen der Fokuslinse ( sofern diese durchstimmbar ausgestaltet ist ) erzielt werden . Mit Hil fe des Abbildungssystems lässt sich zudem, nach Aus führung des Autofokus-Verfahrens , ein Obj ekt visualisieren . Hierbei kann die Visualisierung auf Basis der ermittelten Best-Fokusebene mit optimierter Bildqualität erfolgen, da der Autofokus ein präzises Fokussieren auf das Obj ekt ermöglicht .

Ferner betri f ft die Erfindung ein zugehöriges optisches Abbildungssystem, mit dem sich ein solches Autofokus-Verfahren umsetzen lässt . Dieses Abbildungssystem kann insbesondere zum Visualisieren eines Obj ekts während eines medi zinischen Eingri f fs eingesetzt werden . Das Abbildungssystem umfasst eine Fokuslinse , die mittels eines Fokus-Aktuators verstimmbar ist ( also beispielsweise verschiebbar und/oder durchstimmbar ist ) , um die Lage einer Fokusebene des Abbildungssystems in einem z-Scan entlang einer optischen z-Achse anzupassen; einen Bildsensor zum Auf zeichnen von Bilddaten; und schließlich einen Controller zum Ansteuern des Fokus-Aktuators .

Als Autofokus (AF) wird generell die Technik einer Kamera oder auch anderer optischer Geräte bezeichnet , automatisch auf ein zu beobachtendes Obj ekt scharf zu stellen . Hierbei unterscheidet man zwischen aktivem Autofokus , der auch ohne Umgebungslicht funktioniert, und passivem Autofokus, bei dem nur das vom Objekt abgestrahlte oder reflektierte Licht zur Fokussierung verwendet wird. Es ist zudem bekannt, bei passiven Autofokussystemen beispielsweise durch Phasenvergleich oder durch eine Kontrastmessung, insbesondere eine Kantenkontrastmessung, einzelne Fokusebenen mit Blick auf die jeweilige Bildqualität zu bewerten und so die Lage einer Best-Fokusebene aufzufinden. Die Best-Fokusebene entspricht dabei gerade derjenigen Ebene, die der Ebene, in der das Objekt liegt, am nächsten kommt und daher für das zu visualisierende Objekt die beste Bildschärfe bietet.

Autofokus-Verfahren wie eingangs beschrieben sind bekannt und werden vielfältig eingesetzt, insbesondere in medizinischen Visualisierungssystemen wie etwa Endoskopen, Exoskopen oder Mikroskopen. Gerade bei medizinischen Mikroskop-Anwendungen kann der Arbeitsabstand (working distance = WD) des verwendeten optischen Abbildungssystems dabei innerhalb eines sehr großen Bereichs schwanken, da typischerweise eine hohe Flexibilität in Bezug auf die Positionierung des Abbildungssystems im Arbeitsfeld des Operateurs gefordert wird. Eine große Variation des Arbeitsabstand kann jedoch hinderlich sein für eine effiziente (d.h. vor allem schnelle) Ausführung des Autofokus, insbesondere dann, wenn ein bildbasierter Autofokus verwendet wird.

Ist der Arbeitsbereich, innerhalb dessen sich der Arbeitsabstand ändert, groß, so benötigt ein bildbasiertes Autofokussystem, zum Beispiel auf Basis einer Kontrastbasierten Bildschärfebewertung, oftmals viel zu lange, um die Best-Fokusebene, also die für die Abbildung des Objekts bestmögliche Fokusposition, beim Durchfahren des gesamten Arbeitsbereichs aufzufinden. Denn jegliche Änderung des Arbeitsabstands erfordert dann typischerweise einen erneuten Durchlauf zur Suche nach der Best-Fokusebene. Für die bildbas ierte Bestimmung der Best-Fokusebene wird hierzu typischerweise ein Bilderstapel analysiert oder es wird inkrementell nach der Best-Fokusebene gesucht . Bei solchen Ansätzen limitiert j edoch die Bildrate des Bildsensors die Anzahl an Bildern, die pro Sekunde zur Verfügung stehen . Damit wird auch die Geschwindigkeit limitiert , mit der über den gesamten Arbeitsbereich gefahren werden kann . Denn eine zu hohe Scan-Geschwindigkeit des z-Scans führt zu der Gefahr, dass die Best-Fokusebene nicht mehr aufgefunden werden kann . Im Ergebnis dauert das Auf finden der Best-Fokusebene oftmals zu lange .

Es gibt ferner Ansätze , den z-Scan nur einmalig initial aus zuführen und die Fokusebene anschließend nachzuführen, also um eine gewisse Strecke entlang der z-Achse zu verschieben ( „refocus" /"adj ust focus" ) , wenn eine Änderung des Arbeitsabstands bemerkt wird . In diesem Fall kann zwar schnell eine neue Fokusebene eingestellt werden; aber bei mehrmaligem Nachführen kann sich mit der Zeit ein Fehler zwischen der Lage der aktuellen Fokusebene und der tatsächlichen Best-Fokusebene ergeben, sodass das Obj ekt zunehmend unschärfer abgebildet wird . In diesem Fall wird somit Schnelligkeit gewonnen, aber Bildqualität geopfert .

Im Stand der Technik wird zur Vermeidung des beschriebenen Problems oftmals ein zusätzlicher Laser-Autofokus eingebaut , oder es wird ein Phasendetektionsansatz gewählt , um die Fokusposition und die Fokusrichtung zu bestimmen und damit das Auf finden der Best-Fokusebene zu beschleunigen . Auch Ansätze von künstlicher Intelligenz zur Bestimmung der Fokusposition sind Gegenstand aktueller Entwicklungen . Diese Ansätze haben aber ebenfalls allesamt Nachteile , wie erhöhter Platzbedarf für zusätzliche Hardware , hohe Anforderungen an die Rechenleistung, oder Generation von Störstrahlung durch das AF-Hil f slicht , um nur einige zu nennen . Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Aufgabe gesetzt , vorbekannte Auto fokus-Verfahren zu verbessern . Insbesondere soll ein assistierter passiver Autofokus bereitgestellt werden, der schnell und präzise , vorzugsweise fortlaufend, auf Änderungen des Arbeitsabstands reagieren kann und stets scharfe Bilder des zu visualisierenden Obj ekts liefert .

Zur Lösung der genannten Aufgabe sind erfindungsgemäß die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen . Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe bei einem Autofokus- Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, dass eine externe Ortsinformation abgefragt wird (vorzugsweise automatisch vom Abbildungssystem selbst ) , dass aus der externen Ortsinformation ein Schätzwert für einen momentanen Arbeitsabstand zwischen dem Abbildungssytem und dem Obj ekt errechnet wird, dass auf Basis des Schätzwerts eine Lage des Scan-Bereichs ( innerhalb dessen der z-Scan ausgeführt wird) auf der optischen z-Achse ( zum Beispiel eine z-Koordinate z _c eines Zentrums des Scan-Bereichs und/oder eine Start-Koordinate des Scan-Bereichs ) angepasst wird . Anschließend kann dann der so in seiner Lage angepasste z-Scan ausgeführt werden, um die Best-Fokusebene innerhalb des ( auf Basis des Schätzwerts festgelegten) Scan-Bereichs zu identi fi zieren beziehungsweise auf zufinden .

Die Erfindung schlägt somit einen assistierten Autofokus ( assisted autofocus ) vor, der eine verbesserte Genauigkeit und Schnelligkeit zu vorbekannten Autofokus-Verfahren bietet . Die Assistenz beruht dabei auf der Ortsinformation, die von einem externen System abgefragt wird . Auf Basis dieser Ortsinformation, bzw . der aus der Ortsinformation abgeleiteten Schätzung für den momentanen Abstand zwischen dem Abbildungssystem und dem zu visualisierenden Obj ekt (=Arbeitsabstand) , wird der Scan-Bereich des Autofokus , also der Bereich, in welchem das Verfahren nach der Best-Fokus- Ebene sucht , im Raum positioniert und ggf . noch weiter in Abhängigkeit des Schätzwerts angepasst (beispielsweise in der Länge , der räuml ichen Abtastfrequenz , oder des während des z- Scans verwendeten Zoomlevels ) . Dadurch passt sich das Autofokusverfahren intelligent auf die j eweilige momentane Arbeitssituation an und kann so den momentanen Arbeitsabstand bzw . die momentane Best-Fokuseben schnell und zuverlässig auf finden .

Grundsätzlich ist es mittels der Abbildungsgleichung möglich, eine j eweiligen Arbeitsabstand (und damit einen gewünschten Obj ektabstand s _o ) einer bestimmten Verstimmung der Fokuslinse , also beispielsweise bei einer verfahrbaren Fokuslinse eine bestimmte Position der Fokuslinse auf der z-Achse , zuzuordnen . Daher kann beispielsweise zu Beginn des z-Scans die Fokuslinse so verstimmt werden, dass die momentane Fokusebene an der unteren Grenze des neuen Scan-Bereichs liegt . Beispielsweise kann für einen Scan-Bereich von X mm, die untere Grenze auf die z-Position = Schätzwert (Arbeitsabstand) -X/2 gesetzt werden . Hierfür ist zunächst auch keinerlei Bildauswertung notwendig .

Der eigentliche z-Scan kann insbesondere inkrementell implementiert werden, sodass der z-Scan bei Auf finden der Best-Fokusebene (beispielsweise auf Basis eines Abbruchkriteriums ) gestoppt wird, was das Verfahren weiter beschleunigt .

Besonders günstig ist es hierbei , wenn in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein erfindungsgemäßes optisches Abbildungssystem, insbesondere wie hierin beschrieben oder nach einem der auf ein optisches Abbildungssystem gerichteten Ansprüche , verwendet wird . Es sei an dieser Stelle noch angemerkt , dass die Fokuslinse selbstverständlich auch durch eine komplexe Linsengruppe gebildet sein kann; diese Linsengruppe kann auch mehrere verstimmbare Fokuslinsen aufweisen . Beispielsweise kann eine axial verschieblich erste Fokuslinse zur Grobverschiebung der Fokusebene eingesetzt werden und eine zusätzliche durchstimmbare Flüssiglinse zur Feinverschiebung der Fokusebene .

Die z-Achse kann dabei durch das optische Abbildungssystem, insbesondere durch dessen Blickrichtung, vorgegeben sein .

Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass durch die Aus führung des z-Scans die Lage der Best-Fokusebene und damit auch der tatsächlich momentan vorliegende Arbeitsabstand zwischen dem Abbildungssystem und dem Obj ekt noch präziser ermittelt werden können als nur auf Basis der Schätzung . Denn typischerweise wird der errechnete Schätzwert für den Arbeitsabstand einen Restfehler (= Di f ferenz zwischen dem Schätzwert und dem tatsächlich momentan vorliegendem Arbeitsabstand) aufweisen . Dieser Restfehler kann durch die Aus führung des in seiner Lage angepassten z-Scans verkleinert oder sogar vollständig eliminiert werden . Denn der Autofokus sucht dann im Bereich des geschätzten Arbeitsabstands die tatsächliche Best-Fokusebene und kann so den tatsächlichen Arbeitsabstand ( der mit der z-Position der Best-Fokusebene korreliert ) ermitteln, der somit vom Schätzwert abweichen kann .

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens , der noch deutlicher werden wird, besteht darin, dass sich das Auf finden der Best- Fokusebene beschleunigen lässt . Ursächlich ist hierfür, dass aufgrund der optimierten Lage des Scan-Bereichs , der Scan- Bereich in seiner Länge von vorneherein verkürzt werden kann, im Vergleich zu vorbekannten Verfahren . Dann aber wird auch weniger Zeit benötigt , um die erforderliche optische Abtastung der Fokusebenen innerhalb des Scan-Bereichs durchzuführen, was das Auf finden der Best-Fokusebene beschleunigt . Es hat sich ferner auch herausgestellt , dass die Vermeidung unnötiger Stützpunkte , also unnötig optisch abgetasteter Fokusebenen, außerhalb eines interessanten Bereiches dazu führt , dass innerhalb einer vertretbaren Zeit für den Autofokus mehr Stützpunkte innerhalb des interessierenden Bereichs , d . h . innerhalb des Scan-Bereichs des z-Scans , gesetzt werden können . D . h . im Vergleich zu vorbekannten Verfahren kann das Scan-Bereich kleiner aus fallen, aber mit höherer räumlicher Abtastfrequenz optisch abgetastet werden . Dies kann die räumliche z-Auflösung bei der Bestimmung der Lage der Best-Fokusebenen auf der z-Achse erhöhen .

Erfindungsgemäß kann die Aufgabe auch durch weitere vorteilhafte Aus führungen gelöst werden, die in den Unteransprüchen beschrieben sind und im Folgenden erläutert werden :

Zunächst ist hervorzuheben, dass das Aus führen des z-Scans in dem Scan-Bereich, dessen Lage ( auf der z-Achse ) auf Basis des errechneten Schätzwerts angepasst wurde , sich von einem bloßen Nachführen des Fokus , etwa durch Verstellen der Fokuslinse auf Basis des Schätzwerts , unterscheidet . Denn der Schätzwert legt noch nicht fest , welche finale Verstimmung der Fokuslinse und damit welche Lage der finalen Fokusebene ( als Best-Fokusebene ) von dem Verfahren schlussendlich ermittelt/ festgelegt wird (= Ergebnis des Autofokus ) . Der Schätzwert liefert dem

Verfahren ledigl ich einen ersten Anhaltspunkt , in welchem Scan-Bereich sinnvollerweise nach der Best-Fokusebene durch Aus führen des z-Scans gesucht werden soll . Mit anderen Worten kann sich das Verfahren also dadurch aus zeichnen, dass die Lage der identi fi zierten Best-Fokusebene unabhängig von dem Schätzwert ermittelt wird . Somit wird die Fokuslinse nach Aus führung des Verfahrens unabhängig von dem Schätzwert so verstimmt sein, dass sie die identi fi zierte Best-Fokusebene f estlegt . In den allermeisten Fällen, nämlich dann, wenn der Schätzwert fehlerbehaftet i st , kann die mit Hil fe des z-Scans ermittelte Best-Fokusebene in einer Obj ektweite s _o zum Abbildungssystem liegen, die von dem Schätzwert für den momentanen Arbeitsabstand abweicht . In dem unwahrscheinlichen Fall , dass der Schätzwert für den Arbeitsabstand fehlerfrei wäre , würde die ideale Best- Fokusebene gerade in einer Obj ektweite zum Abbildungssystem liegen, die dem Arbeitsabstand entspricht .

Insbesondere im Vergleich zu einem bloßen Nachführen einer momentanen Fokusebene ohne erneuten z-Scan durch einmaliges Verstellen der Fokuslinse auf Basis des Schätzwerts , kann der erfindungsgemäße Ansatz somit eine Genauigkeit bei der Bestimmung der Best-Fokusebene verbessern .

Gemäß einer Weiterbildung kann eine Abweichung zwischen einer durch die ermittelte Best-Fokusebene definierten Obj ektweite s _o ( also insbesondere der zuvor beschriebenen Obj ektweite ) und dem Schätzwert abgespeichert werden . Diese Abweichung kann dann bei nachfolgenden z-Scans berücksichtigt werden . Die Abweichung kann beispielsweise einen Of fset bilden, der bei der Wahl der aktuellen Lage des Scan-Bereichs des z-Scans stets berücksichtigt wird . Beispielsweise kann in einem nachfolgenden z-Scan ( der zum Beispiel ausgeführt wird, wenn sich der Arbeitsabstand erneut geändert hat und dies auf Basis der Abfrage der externen Ortsinformation erkannt wird) die Anpassung der räumlichen Lage dieses nachfolgenden z-Scans auf Basis der gespeicherten Abweichung / des Of fsets erfolgen . Hierbei kann der Of fset auch von Zeit zu Zeit neu angepasst werden, beispiel sweise wenn zwischen der sich aus der aktuell ermittelten Best-Fokusebene ergebenden Obj ektweite s _o und dem aktuellen Schätzwert eine aktuelle Abweichung ergibt , die sich signi fikant ( z . B . betragsmäßig oberhalb eines Schwellwerts ) von dem abgespeicherten Of fset unterscheidet . Die Ermittlung eines solchen Of f-sets hat insbesondere den Vorteil , dass dann, wenn beispielsweise die Entfernungsschät zung zwischen einem Operationsbereich und dem Bildaufnahmesystem, also der besagte Schätzwert des Arbeitsabstands , systematisch ungenau ist , beispielsweise weil das Operationsgebiet Kavitäten aufweist , die von dem zur Ermittlung des Schätzwerts verwendeten bildbasierten Navigationssystem nicht gesehen werden, solche Situationen genauer aufgelöst werden können, in dem Sinn, dass trotz des systematischen Fehlers unnötige Sweep-Bereiche während des z- Scans vermieden werden können . Auch dies kann das Auf finden der Best-Fokusebene beschleunigen .

Das Abbildungssystem, welches das Verfahren aus führt ( genauer dessen Controller ) , kann also abspeichern, um wieviel die Lage der zuletzt ermittelten Best-Fokusebene (=optimale Fokusposition) , von dem auf Basis der externen Ortsinformation ( ermittelt zum Beispiel auf Basis externer Messmittel ) geschätzten Arbeitsabstand abweicht , um dies bei einem künftigen Start des z-Scans (= Autofokus-Routine ) zu berücksichtigen . Hierdurch lässt sich das Auf finden der Bestfokusebene weiter beschleunigen, weil irrelevante Suchbereiche , die nur aufgrund von Fehlern des Schätzwerts durchfahren werden müssten, von vorneherein vermieden werden können .

Um unnötige z-Scans von vorneherein zu vermeiden und so weiter Zeit einzusparen kann vorgesehen sein, dass zunächst auf Basis der abgespeicherten Abweichung ein korrigierter Schätzwert errechnet wird und die Fokuslinse so verstimmt wird, dass die Lage der momentanen Fokusebene dem korrigierten Schätzwert entspricht . Damit wird also der zuvor ermittelte Of fset zunächst beseitigt/ kompensiert . In diesem Fall kann dann zunächst diese Fokusebene , deren Lage dem korrigierten Schätzwert entspricht bewertet werden, vorzugsweise mittels einer bildbasierten Auswertung, insbesondere einer Auswertung des Bildkontrast s . Der z-Scan kann beispielsweise nachfolgend nur dann ausgeführt werden, falls diese momentane Fokusebene als nicht ausreichend scharf bewertet wird/wurde . D . h . zeigt diese Fokusebene bereits eine zufriedenstellende Bildqualität , so kann diese Fokusebene als neue Best-Fokusebene angenommen werden, sodass kein z-Scan mehr ausgeführt werden muss . Hierbei können auch Schwellwerte als Kriterium für die Bildqualität verwendet werden . Beispielsweise können mittels der abgespeicherten Abweichung aufgefundene Fokusebenen so lange als Best-Fokusebenen akzeptiert werden, bis ein detektierter Kantenkontrast oder eine andere Maß zahl einen vorab festgelegten Schwellwert unterschreitet .

Die externe Orts information, auf Basis derer der Schätzwert für den Arbeitsabstand ermittelt wird, kann auf viel fältige Weise erhalten werden . Beispielsweise kann die externe Ortsinformation auf aktuellen Messdaten von wenigstens einem Lage- und/ oder wenigstens einem Beschleunigungssensor beruhen . Dieser Ansatz bietet sich etwa an, wenn das optische Abbildungssystem, welches den Autofokus aus führt , auf einem manuell beweglichen Tragarm oder Tragrahmen befestigt ist , wobei dann der Arbeitsabstand manuell vom Operateur anpassbar ist . Denn mittel s der Sensoren kann die aktuelle räumliche Position und/oder Orientierung des Tragarms und damit des von ihm getragenen Abbildungssystems bestimmt werden und diese Information kann als die externe Ortsinformation verwendet werden .

Alternativ oder ergänzend kann die Ortsinformation auch von einem Robotiksystem abgefragt werden, mit welchem das Abbildungssystem im Raum bewegt wird . Diese Bewegung des Abbildungssystems mit Hil fe des Robotiksystems kann gerade dazu dienen, den tatsächlichen Arbeitsabstand zu verändern, zum Beispiel j e nach Bedarf des Benutzers . Die Ortsinformation kann dabei insbesondere eine momentane räumliche Position und/oder Orientierung einer Komponente des Robotiksystems beschreiben, welches das Abbildungssystem trägt . Diese Komponente kann zum Beispiel ein Roboterarm sein .

Ferner ist es auch möglich, die Ortsinformation von einem externen, insbesondere bildbasierten, Navigationssystem zu beziehen bzw . abzufragen . Solche Navigationssysteme sind bekannt von der Roboter-unterstüt zten Chirurgie und werden dort bereits eingesetzt , um ein Mikroskop für den Chirurgen im Raum zu platzieren, und so eine Operation visuell überwachen zu können, insbesondere auch aus der Ferne .

Bevorzugt ist es bei einer solchen Ausgestaltung, wenn das Navigationssystem ein bildbasiertes / kamerabasiertes Navigationssystem ist . Beispielsweise kann eine externe Kamera des Navigationssystems zusammen mit dem Abbildungssystem im Raum bewegt werden, insbesondere mittels eines/des zuvor beschriebenen Robotiksystems . Dieser Ansatz hat im Vergleich zu Navigationssystemen auf Basis stationärer Kameras den Vorteil , dass der Schätzwert für den Arbeitsabstand mit höherer Genauigkeit mit Hil fe der mit bewegten Kamera des Navigationssystems ermittelt werden kann .

Ein solches externes Navigationssystem kann insbesondere mit Hil fe einer 3D-Kamera realisiert sein . Hierbei können auch an sich bekannte Ansätze von optical tracking ( insbesondere unter Verwendung von optischen Markern, deren Lage mit der Kamera verfolgt werden kann) genutzt werden, um die Ortsinformation zu liefern, auf der die Schätzung des Arbeitsabstands beruht .

Die Erfindung kann also so implementiert werden, dass eine Positionsabfrage von einem externen System ( also zum Beispiel einer Navigationskamera, eines Lage- und/oder Beschleunigungssensors und/oder eine Roboterposition) zur Positionierung und/oder zur Einschränkung des im z-Scan abgedeckten Scan-Bereichs (=Suchbereich für das Auf finden der Best-Fokusebene ) eingesetzt wird und zwar insbesondere um so einen assistierte bildbasierten Autofokus zu realisieren .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Ortsinformation so gewählt sein/werden, dass aus der Ortsinformation eine räumliche Lage und/oder eine Orientierung des Abbildungssystems , insbesondere eine räumliche Lage und/oder Orientierung einer optischen Baugruppe des Abbildungssystems , relativ zu dem Obj ekt ermittelbar ist . Dies hat den Vorteil , dass sich dann der Schätzwert besonders präzise aus der ermittelten Lage und/oder Orientierung errechnen lässt . Denn beispielsweise können so abweichende Blickwinkel , etwa zwischen dem Abbildungssystem und der Navigationskamera, bei der Berechnung des Schätzwerts berücksichtigt werden . Beispielsweise kann der Blickwinkel des Abbildungssystems , j e nach momentaner Position und/oder Orientierung im Raum, von dem Blickwinkel eines optischen Hil fssystems ( zum Beispiel einer zusätzlichen Kamera ) abweichen, welches zur Ermittlung des Schätzwerts eingesetzt wird, und diese Abweichungen können bei der Berechnung des Schätzwerts berücksichtigt werden . Dadurch kann der Restfehlers des Schätzwerts verkleinert werden, was wiederum zulässt , den notwendigen Scan-Bereich zum sicheren Auf finden der Best-Fokusebene verkleinern zu können . Im Ergebnis kann so der Autofokus beschleunigt werden .

Um ein möglichst schnelles Auf finden der Best-Fokusebenen zu ermöglichen, ist es ganz besonders ef fi zient , wenn auf Basis des Schätzwerts für den momentanen Arbeitsabstand wenigstens ein weiterer Parameter des z-Scans automatisiert angepasst wird . Ein solcher Parameter kann insbesondere eine Länge des z-Scans und/oder eine Anzahl an mit dem z-Scan optisch abgetasteten Fokusebenen innerhalb des Scan-Bereichs und/oder eine räumliche Abtastfrequenz des z-Scans ( z . B . eine räumliche Abtastfrequenz von 10 Fokusebenen / 4 mm) und/oder ein während des z-Scans verwendetes optisches Zoomlevel des Abbildungssystems automatisiert angepasst wird . Unter Zoom- Level wird hier verstanden, welche Zoom-Brennweite momentan eingestellt ist . Unter Zoomfaktor wird hingegen typischerweise das Verhältnis zwischen der längsten und der kürzesten Zoom- Brennweite verstanden, die mithil fe eines Zoomobj ektivs einstellbar ist . Bei kurzer Zoom-Brennweite (Weitwinkel ) besteht somit ein kleines Zoom-Level , sodass dann ein vergleichsweiser großer Bildausschnitt abgebildet wird und eine nur kleine Vergrößerung erzielt wird . Bei großer Zoom- Brennweite ( Tele ) wird hingegen ein hohes Zoom-Level erreicht , sodass dann nur ein kleiner Bildausschnitt abgebildet wird und somit eine hohe Vergrößerung erzielt wird . Mit anderen Worten bewirkt somit die Änderung des Zooms stets eine Änderung der optischen Vergrößerung .

Durch die vorgeschlagene Anpassung des wenigstens einen weiteren Parameters des z-Scans wird also nicht nur die Lage des z-Scans im Raum angepasst , sondern der z-Scan kann auf die momentane Aufnahmesituation maßgeschneidert werden . Je nach Einstellung des optischen Zooms und des aktuellen Arbeitsabstands kann sich beispielsweise die Schärfentiefe ändern . Unter Schärfentiefe wird allgemein die Ausdehnung des Bereichs vor und hinter der Fokusebene (manchmal auch als Schärfeebene bezeichnet ) verstanden, in dem ein Punkt noch hinreichend scharf abgebildet wird . Die Fokusebene ist dabei diej enige Ebene im Obj ektraum, deren Punkte von dem Abbildungssystem als scharfe Punkte auf der Bildebene (was typischerweise der Ebene des Bildsensors entspricht ) im Bildraum abgebildet werden . Punkte außerhalb der Fokusebene werden hingegen als Kreise bzw . Ellipsen auf die Bildebene/den

Bildsensor abgebildet , also mit einer gewissen Unschärfe . Mit anderen Worten bestimmt die Schärfentiefe somit den Bereich an möglichen Fokusebenen, in denen ein Bild noch als scharf wahrgenommen wird bzw . von einem Bildsensor mit ausreichender Bildqualität wiedergegeben/auf gezeichnet werden kann .

Bei vorbekannten Autofokus-Verfahren, beispielsweise kontrastbasierten Autofokus-Verfahren, wird typischerweise die örtliche Auflösung, mit der die einzelnen Fokusebenen abgetastet werden, stets kleiner gewählt , als die minimale Schärfentiefe des optischen Systems , welches zur Bildgebung verwendet wird . Hierbei hängt die Schärfentiefe wie bereits erwähnt vom Arbeitsabstand und vom eingestellten optischen Zoom ab . Eine solch kleine Schrittweite bei der Abtastung der Fokusebenen bietet den Vorteil , dass die j eweilige Lage derj enigen Fokusebene , die für ein bestimmtes Obj ekt , welches sich in einem gegebenen Arbeitsabstand zur Frontlinse befindet , eine optimale Bildqualität liefert , mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden kann . Diese Fokusebene wird hier als die Best-Fokusebene bezeichnet . Andererseits führt aber die beschriebene Abtastung der möglichen Fokusebenen mit kleinstmöglicher Schrittweite dazu, dass das Autofokus-Verfahren zeitlich inef fi zient bzw . langsam wird, weil oftmals eine Überabtastung stattfindet . Wird hingegen die räumliche Auflösung bei der Abtastung der unterschiedlichen Fokusebenen verringert , um so das Verfahren zu beschleunigen, besteht die Gefahr, dass die Best- Fokusebene , insbesondere bei momentan geringer Schärfentiefe , nicht mehr mit ausreichender Genauigkeit aufgefunden werden kann .

Durch die von der Erfindung vorgeschlagene Anpassungen kann somit entweder die Schärfentiefe aktiv angepasst werden ( durch Änderung des Zoomlevels ) und/oder es kann eine momentane Änderung der Schärfentiefe kompensiert werden, indem eine entsprechende Anpassung des z-Scans erfolgt (Anpassung von Abtastfrequenz und/oder Länge und/oder Anzahl an abgetasteten Fokusebenen) . Beispielsweise macht es Sinn, die Länge des z-Scans zu verringern und/oder die Anzahl an abgetasteten Fokusebenen zu verringern und/oder die Abtastfrequenz zu erhöhen, wenn der Arbeitsabstand abnimmt , weil dann typischerweise auch die Schärfentiefe abnimmt . Zudem kann es , j e nach geschätztem Arbeitsabstand, für eine Beschleunigung des z-Scans sinnvoll sein, den optischen Zoom/das optische Zoomlevel zu verändern . Denn auch durch die Änderung des Zoomlevels kann die Schärfentiefe angepasst werden .

Da die Länge des z-Scans variieren kann, aber es oftmals ausreicht , den z-Scan innerhalb einer maximal verfügbaren Scan-Zeit aus zuführen, kann insbesondere vorgesehen sein, dass die räumliche Abtastfrequenz erhöht wird, sobald die Länge des Scan-Bereichs verkürzt wird . Dies kann insbesondere so ausgestaltet werden, dass die Gesamtzeit , die zur Durchführung des z-Scans j eweils benötigt wird (wobei diese Gesamtzeit grundsätzlich durch die maximal mögliche Abtastfrequenz des verwendeten Bildsensors sowie der maximalen Verstellgeschwindigkeit der Fokuslinse begrenzt wird) konstant gehalten wird . Dadurch kann eine vorgegebene maximale Gesamtzeit für den z-Scan, die zur Verfügung steht , j eweils optimal ausgenut zt werden ( entweder für einen vergleichsweise langen z-Scan oder aber für einen vergleichsweise hochauflösenden z-Scan) .

Um störende Störstrahlung zu vermeiden, kann das erfindungsgemäße Verfahren als ein passives Autofokus-Verfahren, also ohne Verwendung einer zusätzlichen AF-beleuchtung, implementiert werden . Dies bietet weitere Vorteile . Denn beispielsweise ein aktiver Laser-Autofokus benötigt zusätzlichen Platzbedarf für die zur Bereitstellung des AF-Lichts benötigten Komponenten . Dieser Platzbedarf kann somit eingespart werden, was Vorteile hat , wenn das Verfahren von einem erfindungsgemäßen Abbildungssystem implementiert wird, welches von einem

Roboterarm im Raum bewegt wird . Um eine möglichst kompakte und einfache Ausgestaltung des optischen Abbildungssystems zu ermöglichen, ist es ferner vorteilhaft , wenn bei dem Verfahren die Lage der Best-Fokusebene anhand einer Bildauswertung der mittels des z-Scans optisch abgetasteten Fokusebenen ermittelt wird . Denn hierfür genügt die Auswertung von Bilddaten, die ein Bildsensor des Abbildungssystems ohnehin liefert . Hierbei ist es j edoch für ein zuverlässiges Auf finden der Best-Fokusebene vorzuziehen, wenn die Bildauswertung eine Auswertung eines Bildkontrasts umfasst . Zu diesem Zweck kann insbesondere eine j eweilige Kantenkarte der einzelnen optisch abgetasteten Fokusebenen (bzw . der korrelierenden Bilddaten) erstellt und/oder eine j eweilige Fourier-Trans formation auf Bilddaten der Fokusebenen angewandt werden .

Gemäß der Erfindung kann das vorgestellte Verfahren somit insbesondere als bildbasiertes und/oder als kontrastbasiertes Autofokus-Verfahren implementiert werden . Dies hat entscheidende Vorteile gegenüber dem Einsatz eines Phasen-basierten Autofokus oder dem Einsatz künstlicher Intelligenz (KI ) zur Bewertung der Fokusebenen : Ein Autofokus über Phasendetektion benötigt entweder zusätzliche Detektoren auf dem Bildsensor zur Detektion der Phase oder separate Sensoren, welche mittels Strahlteiler das Bild erhalten und damit die optische Ef fi zienz verringern . Zusätzlich verschlechtert sich bei diesem Ansatz typischerweise die Performance bei geringen Kontrastwerten . Kl-Ansätze zur Fokusbestimmung benötigen hingegen neben dem hohen Ressourcenbedarf in Bezug auf die Hardware (Rechenleistung) auch möglichst umfangreiche Datensätze zum Anlernen des Netzes , welches die KI ausbildet .

Um stets dynamisch auf eine Anpassung des tatsächlichen Arbeitsabstands reagieren zu können ist es zudem vorteilhaft , wenn die die Lage des Scan-Bereichs erneut angepasst und der so angepasste z-Scan erneut durchgeführt wird, sobald auf Basis einer erneuten Abfrage der externen Ortsinformation eine Änderung der Ortsinformation und/oder des errechneten Schätzwerts ermittelt wird . Für eine schnelle Anpassung ist es dabei vorteilhaft , wenn die Abfrage der externen Ortsinformation fortlaufend vorgenommen wird .

Ein weiterer Geschwindigkeitsgewinn für das Autofokus-Verfahren lässt sich erzielen, wenn die Ortinf ormation Zielkoordinaten umfasst . Denn in diesem Fall kann die Fokuslinse bereits verstimmt werden, während das Abbildungssystem auf eine neue Position, insbesondere die Zielkoordinaten, positioniert wird . Die Zielkoordinaten müssen dabei nicht zwingend mit der neuen räumlichen Lage des Abbildungssystems übereinstimmen . Denn die Zielkoordinaten können beispielsweise eine Position im Raum beschreiben, an die ein Roboterarm, der das Abbildungssystem trägt , verfahren werden soll . Hat der Roboterarm diese Position erreicht , kann diej enige des Abbildungssystems um einen konstanten Of fset von der neuen Ziel-Position des Roboterarms abweichen . Bei einer solchen Ausgestaltung ist es vorteilhaft , wenn der z-Scan erst durchgeführt wird, wenn das Abbildungssystem die neue Position/die Zielkoordinaten erreicht hat und sich in seiner räumlichen Lage stabilisiert hat . Denn so können Bewegungsartefakte beim Aufnehmen der Fokusebenen vermieden werden .

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe werden ferner erfindungsgemäß bei einem optischen Abbildungssystem die Merkmale des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs vorgeschlagen . Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe bei einem optischen Abbildungssystem der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass der Controller dazu eingerichtet ist , in Abhängigkeit eines Schätzwerts für den momentanen Arbeitsabstand eine Lage eines Scan-Bereichs des z-Scans auf der optischen z-Achse zu wählen und anschließend den z-Scan innerhalb des so in seiner Lage angepassten Scan-Bereichs aus zuführen, um eine Best-Fokusebene innerhalb des Scan- Bereichs zu identi fi zieren .

Wie zuvor bereits erläutert wurde , verschiebt der Controller dabei die j eweil ige momentane Fokusebene entlang der z-Achse , indem er den Fokusaktuator entsprechend ansteuert , um so die notwendige Verstimmung der Fokuslinse aus zulösen . Die optische Abtastung der Fokusebenen kann durch j eweiliges Auslesen des Bildsensors des Abbildungssystems geschehen . Denn die Bilddaten geben wieder, welche Abbildungsqualität des zu visualisierenden Obj ekts mit der momentanen Fokusebene erzielt werden kann . Auf Basis einer Bildauswertung kann dann der Controller entscheiden, welche der abgetasteten Fokusebenen als Best-Fokusebene für das Auf zeichnen weitere Bilddaten ( etwa eines Videobilddatenstroms ) verwendet werden soll .

Den Schätzwert für den Arbeitsabstand kann der Controller beispielsweise selbst errechnen . Hierzu kann er die für die Berechnung notwendige externe Ortsinformation aktiv abfragen ( oder automatisch zu regelmäßigen Zeitpunkten übermittelt bekommen, was technisch als äquivalent betrachtet wird) . Es ist auch möglich, dass ein externes System, beispielsweise das externe Navigationssystem auf Basis einer Ortsinformation den Schätzwert errechnet und an den Controller übermittelt . In diesem Fall muss der Controller also den Schätzwert nicht selbst errechnen, aber der Controller passt den Scan-Bereich auf Basis des Schätzwerts an .

Es kann somit vorgesehen sein, dass der Controller mit einem externen System, insbesondere einem Navigationssystem und/oder einem Robotiksystem ( z . B . j eweils wie zuvor beschrieben) verbindbar oder verbunden ist . In diesem Fall kann der Controller dazu eingerichtet sein, von dem externen System den Schätzwert abzufragen . Ergänzend oder alternativ kann der Controller von dem System auch eine externe Ortsinformation abfragen oder erhalten und aus dieser Ortsinformation den Schätzwert selbst errechnen .

Wie bereits erläutert wurde , kann das Abbildungssystem auch eine Zoom-Optik umfassen . Diese Zoom-Optik kann mittels eines Zoom-Aktuators verstellbar sein, wobei dann der Controller dazu eingerichtet ist , den Zoom-Aktuator in Abhängigkeit des Schätzwerts anzusteuern, um so das Zoomlevel anzupassen, welches während des z-Scans verwendet wird .

Es versteht sich, dass es besonders vorteilhaft ist , wenn der Controller gerade so eingerichtet ist , dass er ein erfindungsgemäßes Autofokus-Verfahren, wie zuvor beschrieben und/oder nach einem der auf ein solches Verfahren gerichteten Ansprüche , implementiert , wobei er hierbei den Fokus-Aktuator und/oder den Zoom-Aktuator entsprechend ansteuern kann .

Die Erfindung wird nun anhand von Aus führungsbeispielen näher beschrieben, ist aber nicht auf diese Aus führungsbeispiele beschränkt . Weitere Ausbildungen der Erfindung können aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Aus führungsbeispiels in Verbindung mit der allgemeinen Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen gewonnen werden .

Bei der folgenden Beschreibung verschiedener bevorzugter Aus führungs formen der Erfindung erhalten in ihrer Funktion übereinstimmende Elemente auch bei abweichender Gestaltung oder Formgebung übereinstimmende Bezugs zahlen .

Es zeigt :

Figur 1 einzelne Komponenten eines erfindungsgemäßen

Abb il dungs systems ,

Figur 2 eine schematische Ski z ze einer typischen Anwendungssituation des erfindungsgemäßen Abbildungssystems aus Figur 1 , welches zur Visualisierung eines Obj ekts eingesetzt wird, wobei ein z-Scan ausge führt wird, um eine Best-Fokusebene auf zufinden,

Figur 3 eine stark vereinfachte I llustration des Verlaufs eines Bildkontrasts entlang der optischen z-Achse ,

Figur 4 eine I llustration von zwei in unterschiedlichen Situationen durchgeführten z-Scans, um j eweils die Lage einer Best-Fokusebene auf zufinden, und

Figur 5 eine weitere I llustration eines erfindungsgemäßen Autofokus-Verfahrens , das eine Grob-Scan sowie zwei nachfolgende Feinscans umfasst ,

Figur 6 eine I llustration einer möglichen Anwendungssituation eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einem erfindungsgemäßen medi zinischen Visualisierungs system,

Figur 7 die einzelnen Schritte beim Durchlaufen eines Autofokus-Verfahrens gemäß der Erfindung, welches einen Grob-Scan und einen Fein-Scan umfasst ,

Figur 8 einen z-Scan, der für einen ersten Schätzwert des Arbeitsabstands durchgeführt wird,

Figur 9 einen z-Scan, der für einen zweiten Schätzwert des Arbeitsabstands , der stark von demj enigen aus Figur 8 abweicht , durchgeführt wird, und

Figur 10 zwei zeitlich nacheinander durchgeführte z-Scans , die für j eweils unterschiedliche Schätzwerte des Arbeitsabstands durchgeführt werden, wobei der zweite z-Scan einen Offset berücksichtigt, der ihm vorhergehenden z-Scan ermittelt wurde.

Die Figur 1 zeigt ein optisches Abbildungssystem 1 gemäß der Erfindung, welches dazu eingerichtet ist, ein Objekt 3 während eines medizinischen Eingriffs zu visualisieren. Hierzu verfügt das optische Abbildungssystem 1 über eine Zoom-Optik 4, die mittels eines Zoom-Aktuators 5 verstellbar ist, um ein optisches Zoom-Level anzupassen. Darüber hinaus verfügt das Abbildungssystem 1 über eine Fokuslinse 6, die mittels eines Fokus-Aktuators 7 verstimmbar ist, um die momentane Lage einer Fokusebene 12 entlang der optischen z-Achse 8 zu verschieben, wie dies in den Figuren 1 und 2 illustriert ist. Zum Ansteuern des Fokus-Aktuators 7 als auch des Zoom-Aktuators 5 ist ein Controller 10 vorgesehen.

Die gestrichelten vertikalen Linien in Figur 2 geben dabei die z-Positionen an (z.B. bis z ₈ ) , in denen die Fokusebene 12 während eines z-Scans 17 positioniert wird. D.h., die jeweilige gestrichelte vertikale Linie in Figur 1 gibt die Position derjenigen Ebene an, die - als Folge der Verstimmung der Fokuslinse 6 - momentan scharf auf den Bildsensor 9 abgebildet und somit optisch abgetastet wird.

Wie in Figur 1 zu sehen ist, weist die Zoom-Optik 4 zwei, jeweils als Achromaten ausgebildete, Zoom-Linsen 24 auf, wobei die vordere Zoom-Linse mithilfe des Zoom-Aktuators 5 entlang der optischen Achse 8 verschoben werden kann, um so mehr oder weniger stark das Objekt 3 heranzuzoomen. Die optischen Komponenten 4 und 6 sind mit einer Frontlinse 23 in einem kompakten Objektiv 26 zusammengefasst. Die Frontlinse 23 ist als Zerstreuungslinse ausgebildet und ermöglicht so einen vergleichsweise großen Arbeitsabstand 11 zwischen der Frontlinse 23 und dem Objekt 3. Zusammen mit dem illustrierten Bildsensor 9 , bi lden diese Komponenten 4 , 6 und 23 eine Video- Kamera 2 .

Wie in Figur 2 gezeigt kann durch Verstimmen der Fokuslinse 6 ( die entweder al s entlang der z-Achse 8 verschiebbare und/oder als durchstimmbare Linse ausgestaltet sein kann) die momentane Fokusebene 12 beispielsweise schrittweise in einer Schrittweite 15 von Azi in positiver Scan-Richtung 29 ( d . h . in positiver z-Richtung) entlang der optischen z-Achse 8 verschoben werden .

I st die in Figur 1 gezeigte Fokuslinse 6 beispielsweise als verschiebbare Linse ausgestaltet und wird diese mit kontinuierlicher Verfahrgeschwindigkeit entlang der z-Achse 8 verschoben, so wird sich auch die momentane Fokusebene 12 entsprechend kontinuierlich entlang der z-Achse 8 verschieben, wobei diese Bewegung nicht-linear von einer momentanen z-Position der Fokuslinse 6 abhängen kann . Durch Auslesen des Bildsensors 9 in regelmäßigen Zeitabständen können so beim kontinuierlichen Verschieben der momentanen Fokusebene 12 , j eweils ein ganzer Satz an unterschiedlichen (momentanen) Fokusebenen 12 optisch abgetastet werden, wie durch die gestrichelten vertikalen Linien in Figur 2 illustriert ist . Durch Wahl der Verstimmgeschwindigkeit der Fokuslinse 6 und/oder der Auslesefrequenz des Bildsensors 9 kann somit nicht nur die j eweilige Länge 16 des im j eweiligen z-Scan 17 abgefahrenen Scan-Bereichs 14 angepasst werden, sondern auch die ef fektive Schrittweite 15 , also der Abstand zwischen zwei benachbarten Fokusebenen 12 , die im Rahmen eines solchen z-Scans 17 mithil fe des Bildsensors 9 abgetastet werden . Zudem kann durch entsprechend Ansteuerung des Fokus-Aktuators 7 auch die Lage des z-Scans 17 , insbesondere die z-Koordinate z _c eines Zentrums 20 des Scan-Bereichs 14 , angepasst werden .

Der Scan-Bereich 14 , der in Figur 1 illustriert ist , kann auch kontinuierlich durchfahren werden, indem die Lage der Fokusebene 12 kontinuierlich innerhalb des Scan-Bereichs 14 verschoben wird, während der Bildsensor 9 ausgelesen wird . Beispielsweise kann hierzu die Fokuslinse 6 mit konstanter Verfahrgeschwindigkeit verfahren werden . I st die Fokuslinse 6 hingegen als durchstimmbare Flüssiglinse ausgestaltet , so kann die Lage der Fokusebene 12 kontinuierlich entlang der z-Achse 8 durch kontinuierliches Durchstimmen der Fokuslinse 6 verschoben werden . In solchen Fällen kann die mittlere Scan- Geschwindigkeit , mit der die Lage der Fokusebene 12 entlang der z-Achse 8 verschoben wird, in Abhängigkeit des momentan eingestellten optischen Zoom-Levels und/oder eines Schätzwerts für den (momentanen) Arbeitsabstand 11 angepasst werden . So kann der Controller 10 bei Zunahme des Zoom-Levels und damit einhergehender zunehmender Bildvergrößerung und/oder bei Abnahme des Schätzwerts für den Arbeitsabstand 11 die Scan- Geschwindigkeit reduzieren . Denn sofern der Bildsensor 9 während des kontinuierlich ausgeführten z-Scans 17 mit einer konstanten ( zum Beispiel maximalen Bild- ) Frequenz ausgelesen wird, so erhöht sich die z-Auflösung bei abnehmender Scan- Geschwindigkeit , weil dann die z-Abstände zwischen den einzelnen Fokusebenen 12 , die j eweils beim Auslesen des Bildsensors 9 abgetastet werden, abnehmen . Mit anderen Worten kann also durch Absenken der Scan-Geschwindigkeit für eine gegebene maximale Bildfrequenz des Bildsensors 9 die räumliche Abtastfrequenz und damit die z-Auflösung bei der Bestimmung der Best-Fokusebene 13 erhöht werden .

Die Figur 3 zeigt einen stark vereinfachten möglichen Verlauf einer Bildschärfe (vertikale Achse ) als Funktion der z- Koordinate . Wie zu erkennen ist , kann es in realen Anwendungssituationen vorkommen, dass neben einem globalen Maximum 22 der Bildschärfe auch weitere lokale Maxima 21 bestehen . Die in Figur 1 illustrierte Best-Fokusebene 13 entspricht dabei dem globalen Maximum 22 der Bildschärfe in Figur 3. Das heißt, wenn die Fokuslinse 6 so verstimmt ist, dass die momentane Fokusebene 12, wie in Figur 1 illustriert, im momentanen Arbeitsabstand 11 des Objekts 3 von der Frontlinse 23 positioniert ist, so wird das Objekt 3 in optimaler Bildschärfe auf den Bildsensor 9 abgebildet. Mit anderen Worten entspricht somit die Best-Fokusebene 13 gerade derjenigen mithilfe des Abbildungssystems 1 abgetasteten Fokusebene 12, die derjenigen Ebene, in der das Objekt 3 liegt, am nächsten kommt. Wie die Figur 4 zeigt, kann dabei die Best-Fokusebene 13, die mit einem erfindungsgemäßen Autofokus-Verfahren bestimmt wird, von der tatsächlichen Best- Fokusebene 13* noch etwas abweichen, weil sich letztere nicht mit beliebig hoher z-Auflösung bestimmen lässt.

Die Figur 6 zeigt eine konkrete Anwendungssituation eines erfindungsgemäßen Abbildungssystems 1 bei einem medizinischen Eingriff. Das Abbildungssystem 1, welches als Mikroskop ausgestaltet ist, wird von einem Roboterarm 35 eines Robotiksystems 34 durch den Raum bewegt, um so gemäß den Wünschen des Chirurgen den Arbeitsabstand 11 zu dem Objekt 3 (hier dem Patienten 38) anzupassen. Der Chirurg kann das Objekt 3 in entsprechender Vergrößerung als digitales Live- Bild auf dem Monitor 39 beobachten. An dem Roboterarm 35, dessen räumliche Lage auch über Lage- und Beschleunigungssensoren 40 überwacht wird, ist eine weitere Kamera 37 befestigt, die Teil eines externen bildbasierten Navigationssystems 36 ist.

Wie in Figur 6 anhand der beiden optischen Achsen 8 und 8' angedeutet ist, unterscheiden sich die Blickwinkel der Kamera 37 und des Mikroskops/Abbildungssystems 1. Dennoch kann das Navigationssystem 36 eine Ortsinformation liefern, aus der der

Controller 10 einen verlässlichen Schätzwert 41 WD* für den momentan herrschenden Arbeitsabstand 11 zwischen dem

Abbildungssystem 1 und dem Objekt 3 errechnet. Die vom Navigationssystem 36 bereitgestellte Ortsinformation erlaubt dabei einen Rückschluss auf die Lage (xyz-Position) als auch die Orientierung (Ausrichtung der z-Achse 8 ) des Abbildungssystems 1 , was bereits eine vergleichsweise genaue Schätzung des Arbeitsabstands 11 erlaubt . Diese Situation ist auch in Figur 2 illustriert : der Schätzwert 41 (WD* ) kann dennoch von dem tatsächlich herrschenden Arbeitsabstand 11 (WD) noch um einen Fehler el abweichen . Aufgabe des Autofokus ist es daher gerade nicht , die Fokuslinse 6 lediglich so zu verstellen, dass die momentane Fokusebene mit dem fehlerbehafteten Schätzwert übereinstimmt , sondern diesen Fehler el zu minimieren .

Wie im Folgenden erläutert wird, ist der Controller 10 des Abbildungssystems 1 dazu eingerichtet , diese Aufgabe zu lösen, indem er ein erf indungsgemäßes Autofokus-Verfahren implementiert . Hierzu steuert der Controller 10 den Fokus- Aktuator 7 so an, dass die Lage des Scan-Bereichs 14 des z- Scans 17 auf der optischen z-Achse 8 in Abhängigkeit des Schätzwerts 41 für den momentanen Arbeitsabstand 11 , der zwischen dem Abbildungssystem 1 und dem zu visualisierenden Obj ekt 3 besteht , gewählt wird . Den Schätzwert 41 kann der Controller 10 dabei selbst auf Basis einer externen Ortsinformation errechnen, die er von dem Navigationssystem 36 abfrägt , oder das Navigationssystem 36 nimmt diese Berechnung vor und liefert beispielsweise in regelmäßigen Abständen neue Schätzwerte 41 des Arbeitsabstands 11 an den Controller 10 .

Wie bereits in Figur 2 illustriert , oder auch in den Figuren 8 und 9 zu sehen, kann der Controller 10 beispielsweise den Scan-Bereich 14 j eweils so festlegen, dass die Koordinate z _c des Zentrums 20 des z-Scans 17 bzw . des Scan-Bereichs 14 mit dem Schätzwert 41 des Arbeitsabstands 11 übereinstimmt . In diesem Fall sucht der Autofokus somit symmetrisch um den Schätzwert 41 herum im Scan-Bereich 14 nach der Lage der Best- Fokusebene 13 ( gestrichelte Box in Figur 8 und 9 ) . Anders als beim bloßen Nachführen einer Fokuslage in Abhängigkeit des Schätzwerts wird die Lage der Best-Fokusebene j edoch unabhängig von dem Schätzwert 41 ermittelt , wie ein Vergleich der Figur 9 mit der Figur 8 zeigt : in beiden Fällen wurde das Zentrum 20 des z-Scans 17 in Übereinstimmung mit dem Schätzwert 41 gewählt , wobei der z-Scan der Figur 9 in Folge einer erneuten Abfrage der Ortsinformation erfolgte , die in einer Änderung des Schätzwerts 41 resultierte . Anhand des illustrierten Kontrastverlaufs , der beim z-Scan 17 mit Hil fe des Bildsensors 9 auf gezeichnet wurde , ist aber erkennbar, dass im Fall der Figur 8 der Schätzwert 41 den tatsächlichen Arbeitsabstand 11 und damit die beste Fokuslage unterschätzt , während der Arbeitsabstand 11 in der Situation der Figur 9 durch den errechneten Schätzwert 41 überschätzt wird . Dies kann beispielsweise eine Folge sein eines Fehler el , der mit zunehmendem Arbeitsabstand 11 wächst . Dabei hat sich auch die betragsmäßige Größe des Fehlers el (vgl . dazu Figur 2 ) verändert . Das erfindungsgemäße Verfahren kompensiert solche variierenden Fehler weitgehend, in dem die Bestimmung der Lage der Best-Fokusebene 13 auf Basis einer bildbasierten Auswertung der Fokusebenen 12 erfolgt , die in der Scan- Richtung 29 sukzessive innerhalb des z-Scans 17 optisch abgetastet werden . Diese Bewertung und damit die Festlegung der final als Best-Fokusebene 13 identi fi zierten Fokusebene 12 hängt somit nicht vom Schätzwert 41 ab ; letzterer bestimmt lediglich die Lage des z-Scans 17 .

Im Ergebnis kann so die final ermittelte Best-Fokusebene 13 , wie in Figur 2 i llustriert , in einer Obj ektweite s _o 30 zum Abbildungssystem 1 liegen, die von dem Schätzwert 41 für den momentanen Arbeitsabstand 11 abweicht . Diese durch Verstimmen der Fokuslinse 6 eingestellte Obj ektweite s _o 30 kann zwar immer noch einen Restfehler e2 zur tatsächlichen Arbeitsdistanz 11 aufweisen . Durch die hochauflösende optische Abtastung, die mittels des z-Scans 17 erzielt wird, wird dieser Fehler e2 aber in aller Regel niedriger aus fallen als der ursprüngliche Fehler el . D . h . , im Vergleich zu einem bloßen Nachführen der Fokuslage auf Basis des Schätzwerts 11 wird die Genauigkeit bei der Bestimmung der Best-Fokusebene 13 verbessert . Es sei an dieser Stelle angemerkt , dass die Verstimmung der Fokuslinse , gemäß der Abbildungsgleichung, die Lage der momentanen Fokusebene 12 vorgibt . Hierbei bleibt die Bildweite Si 33 , also der Abstand zwischen der letzten Hauptebene 31 des Abbildungssystems 1 und der Bildebene 32 des Bildsensors 9 , konstant (Vgl . Figur 1 ) . Die Ebenen 13 und 32 bilden dabei optisch konj ugierte Ebenen .

Wie im Folgenden erläutert wird können noch weitere Parameter des z-Scans von dem Controller 10 angepasst werden :

Hierbei ist zu berücksichtigen, dass in der in Figur 6 gezeigten typischen Anwendungssituation, sich sowohl ein Zoom- Level ( j e nach Wunsch des Benutzers ) als auch der Arbeitsabstand 11 von Situation zu Situation ändern können, woraus sich auch eine Änderung der Schärfentiefe ( depth of field = DOF) ergeben kann, wie in den Figuren 4 und 5 illustriert ist . Um in solchen Situationen das Auf finden der Best-Fokusebene 13 zu beschleunigen, kann der Controller 10 sowohl die Länge 16 des Scan-Bereichs 14 , innerhalb dessen eine bestimmte Anzahl an Fokusebenen 12 abgetastet wird und damit auch die Anzahl dieser Fokusebenen 12 selbstständig wählen . Ferner kann der Controller 10 , j e nach Situation, auch das optische Zoom-Level des Abbildungssystems 1 anpassen, welches während des beschriebenen z-Scans 17 verwendet wird, also dann, wenn das Abbildungssystem 1 die unterschiedlichen Fokusebenen 12 abtastet . Schließlich kann der Controller 10 auch die räumliche Abtastfrequenz ( abgetastete Fokusebenen / mm) anpassen . Der Controller 10 prüft hierzu, welches Zoom- Level aktuell eingestellt ist und berücksichtigt zudem den aktuellen Schätzwert 41 für den Arbeitsabstand 11 zwischen dem Abbildungssystem 1 und dem Obj ekt 3 .

Beispielsweise zeigt die Figur 4 , dass dann, wenn sich das Obj ekt 3 in einem vergleichsweisen kurzen Arbeitsabstand zi befindet , die Schärfentiefe ( depth of field = DOF) gering aus fällt , während die Schärfentiefe sich vergrößert , wenn sich der Arbeitsabstand vergrößert , etwa auf den Wert z ₂ . Entsprechend verkleinert der Controller die Länge 16 des Scan- Bereichs 14 und reduziert damit auch die Anzahl an abgetasteten Fokusebenen 12 innerhalb des Scan-Bereichs 14 , wenn der Schätzwert für den Arbeitsabstand 11 abnimmt . Hierbei kann beispielsweise die Schrittweite 15 zwischen den einzelnen, abgetasteten Fokusebenen 12 beibehalten werden . Eine Verbesserung der z-Auflösung beim Auf finden der Best- Fokusebene 13 wird aber, wie in Figur 4 illustriert , insbesondere dann erreicht , wenn bei Abnahme des Schätzwerts für den Arbeitsabstand 11 ( entweder alternativ oder ergänzend zur Anpassung der Länge 16 des Scan-Bereichs 14 ) die Schrittweite 15 reduziert wird, wodurch die räumliche Abtastfrequenz erhöht wird . Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn der Scan-Bereich 14 schrittweise durchfahren wird, indem die Lage der j eweiligen Fokusebene 12 schrittweise in einer Schrittweite 15 (beispielsweise Az ₂ wie links in Figur 4 illustriert ) verschoben wird .

Darüber hinaus i st es zum Beschleunigen des Auf findens der Best-Fokusebene 13 sinnvoll , das momentan eingestellte optische Zoom-Level des Abbildungssystems 1 zu berücksichtigen . Hat das Zoom-Level beispielsweise zugenommen, d . h . wird gerade eine große Zoom-Brennweite verwendet ( Tele ) , sodass nur ein kleiner Bildausschnitt des Obj ekts 3 auf den Bildsensor 9 abgebildet wird und entsprechend eine hohe Vergrößerung des Obj ekts 3 erzielt wird, so macht es Sinn, die Länge 16 des Scan-Bereichs 14 zu verkleinern beziehungsweise die Anzahl an abgetasteten Fokusebenen 12 innerhalb des Scan- Bereichs 14 zu reduzieren . Denn bei hohem optischen Zoom-Level wird, analog wie bei einem vergleichsweise kurzen Arbeitsabstand 11 , die Tiefenschärfe abnehmen, sodass in einem kleineren z-Bereich entlang der optischen z-Achse 8 die Best- Fokusebene 13 aufgefunden werden muss .

Wie in den Figuren 5 und 7 illustriert , können zum Auf finden der Best-Fokusebene 13 auch wenigstens zwei z-Scans 27 , 28 nacheinander innerhalb des Scan-Bereichs 14 ausgeführt werden . Dabei können sich die beiden z-Scans 27 , 28 in ihrer j eweiligen Länge 18 und auch der j eweils verwendeten Schrittweite 15 oder beispielsweise auch in der verwendeten Scan-Geschwindigkeit und nicht zuletzt auch in ihrer j eweiligen Lage ( zum beispielsweise mittlere z-Position z _c ) innerhalb des Scan-Bereichs 14 unterscheiden . Bei dem Beispiel der Figur 7 erstreckt sich ein erster grober z-Scan 27 (mit vergleichsweise großem Abstand zwischen den einzelnen optisch abgetasteten Ebenen 12 ) über die gesamte Länge 16 des Scan- Bereichs 14 . Der zeitlich nachfolgend ausgeführte Fein-Scan 28 weist gegenüber dem ersten Grob-Scan 27 eine kleinere Schrittweite 15 Az ₂ < Az ₂ auf sowie eine kürzere Länge 18 . Zudem wird der Grob-Scan 27 bei einem niedrigeren Zoom-Level und damit bei geringerer Bildvergrößerung ausgeführt als der Fein-Scan 28 .

Genauer wird im Beispiel der Figur 7 zur Durchführung des Grob-Scans 27 zunächst ein minimales Zoom-Level durch den Controller 10 eingestellt , welches mittels der Zoom-Optik 4 einstellbar ist , und der Grob-Scan 27 wird über den gesamten Scan-Bereich 14 ausgeführt . Erst anschließend wird dann zur Durchführung des nachfolgenden Fein-Scans 28 auf ein Zoom- Level zurückgestellt , das zuvor von einem Benutzer ausgewählt worden war, um einen Videobild-Datenstrom auf zunehmen . Aufgrund der kleineren Schrittweite Az ₂ des Fein-Scans 28 ist die mit diesem Scan 28 erzielbare örtliche z-Auflösung höher als diej enige des zuvor durchgeführten Grob-Scans 27 . Gleichzeitig wird durch dieses zweistufige Vorgehen das Auf finden der Best-Fokusebene 13 zeitlich beschleunigt , da der Fein-Scan 28 nicht über den gesamten Scan-Bereich 24 , sondern nun innerhalb eines zuvor mit Hil fe des Grob-Scans 27 identi fi zierten kleineren z-Bereichs , in welchem sich die Best-Fokusebene 13 befindet , ausgeführt wird .

Diese einzelnen Verfahrensschritte sind in Figur 7 anhand der Blockpfeile illustriert , wobei erkennbar ist , dass zunächst die einzelnen Fokusebenen 12 an den z-Koordinaten zi bis z ₈ schrittweise angefahren und mithil fe des Bildsensors 9 auf gezeichnet werden (= Grob-Scan 27 , schwarze Blockpfeile ) und dass anschl ießend die erste Fokusebene 12 des Fein-Scans

28 an der z-Koordinate z _a angefahren wird . Von dort aus wird dann anschließend der Fein-Scan 28 schrittweise bis zu der Fokusebene 12 bei der z-Koordinate z _h durchgeführt . Somit erfolgt also der Fein-Scan 28 in gegenläufiger Scan-Richtung

29 wie der Grob-Scan 27 .

Zur Ermittlung des Schätzwerts für den Arbeitsabstand 11 kann der Controller 10 nicht nur auf das Navigationssystem 36 zurückgrei fen oder auf eine Ortsinformation einer 3D-Kamera zurückgrei fen . Die Erfindung lässt sich auch insbesondere wie folgt implementieren : Mithil fe von Positionsdaten des in Figur 6 illustrierten Robotiksystems 34 kann der Controller 10 den aktuellen Arbeitsabstand 11 (WD) schätzen und den durchzuführenden z-Scan 17 zum Auf finden der besten Fokuslage entsprechend anpassen .

Eine erste mögliche Umsetzung kann somit ein bildbasiertes Navigationssystem 36 , beispielsweise eine 3D-Kamera 37 , vorsehen, die den Schätzwert für den aktuellen Arbeitsabstand an den Controller des Abbildungssystems liefert (wobei der Controller eine Autofokuseinheit implementiert ) . Wird eine Änderung des aktuellen Arbeitsabstands von dem Navigationssystem 36 erkannt , kann auch eine Richtungsinformation für den Autofokus extrahiert werden, sodass der Controller eine geeignete Scan-Richtung 29 für den z-Scan 17 auswählen kann . Die Bestimmung der Best-Fokusebene 13 (und damit eine genauere Schätzung des tatsächlichen Arbeitsabstands 11 ) kann dann erst im stationären Zustand des Systems erfolgen, also wenn sich der Arbeitsabstand 11 gerade nicht mehr ändert bzw . das Abbildungssytem 1 im Raum ruht .

Eine weitere mögliche Umsetzung sieht vor, dass über I st- Koordinaten eines robotischen Systems 34 ( etwa wie in Figur 6 illustriert ) durch geometrische Umrechnung der aktuelle Arbeitsabstand 11 abgeschätzt wird . Bei Änderung des Arbeitsabstandes 11 durch das robotische System 34 lässt sich sogar anhand von Ziel-Koordinaten, die erst noch vom System 34 angefahren werden müssen, vorab der final angestrebte Arbeitsabstand 11 abschätzen .

Eine dritte mögl iche Umsetzung sieht vor, dass eine Änderung der Arbeitsdistanz 11 zwischen dem zu visualisierendem Obj ekt 3 und dem Abbildungssystem 1 durch Lage- /Beschleunigungs sensoren ( inertiale Messsysteme ) detektier wird, was sich insbesondere anbietet , wenn die Lage des Abbildungssystems 1 im Raum bzw . der Arbeitsabstand 11 manuell vom Operateur verstellt wird . Diese verschiedenen Ansätze lassen sich selbstverständlich auch in Kombination nutzen, um stets eine präzi sen Schätzwert 41 für den Arbeitsabstand 11 zur Verfügung zu stellen .

Alternativ oder ergänzend hierzu kann aber das Abbildungssystem 1 auch über einen zusätzlichen Sensor, beispielsweise einen berührungslosen Abstandssensor, verfügen oder zum Beispiel über eine zusätzliche Kamera 37 . Denn auch derartige Vorrichtungen können dazu verwendet werden, j eweils einen aktuellen Schätzwert für den Arbeitsabstand 11 zu ermitteln .

Die Figur 10 zeigt schließlich zwei zeitlich nacheinander durchgeführte z-Scans 17 , die für j eweils unterschiedliche Schätzwerte 41 des Arbeitsabstands 11 durchgeführt werden, wobei der zweite z-Scan 17 ( rechts ) einen Of fset berücksichtigt , der ihm vorhergehenden z-Scan 17 ( links ) ermittelt wurde . Wie in der linken Abbildung gezeigt , wurde zunächst - ähnlich wie in Figur 8 und 9 - der erste z-Scan 17 auf Basis des ersten Schätzwerts 41 so positioniert , dass seine mittige Position z _c mit dem Schätzwert 41 zusammenfällt . Wie zu erkennen, bestand aber eine Abweichung zwischen der durch die ermittelte Best-Fokusebene 13 definierten Obj ektweite s _o 30 und dem Schätzwert 41 . Diese Abweichung wurde als Of fset abgespeichert . Im nachfolgenden z-Scan 17 ( rechts in Figur 10 ) , der in Reaktion auf eine detektierte Änderung des Arbeitsabstands 11 für einen neuen Schätzwert 11 durchgeführt wurde , wurde die räumliche Lage des z-Scans 17 auf Basis des abgespeicherten Of fset angepasst . Hierzu wurde zunächst der Schätzwert 41 um den Of fset korrigiert und anschließend erneut die mittige Position z _c des z-Scans 17 auf den so korrigierten Schätzwert gelegt . Wie zu erkennen ist konnte dadurch auch die Scan-Länge 16 verkleinert werden, weil durch Berücksichtigung des Of fset ( der näherungsweise dem Fehler e2 zwischen dem Schätzwert 41 und dem tatsächlichen Arbeitsabstand 11 entspricht ) der Scan-Bereich 14 bereits zielgenauer auf die tatsächliche Position Lage des Obj ekts 3 ausgerichtet werden kann . Gleichzeitig wurde aber die Anzahl von acht abgetasteten Ebenen ( an den Stellen bis z ₈ ) beibehalten, sodass die räumliche Abtastfrequenz erhöht wurde . Im Ergebnis kann durch diese Anpassungen die Lage der Best- Fokusebene 13 somit schneller und genauer bestimmt werden . Zusammenfassend wird zur Verbesserung der Genauigkeit als auch der Geschwindigkeit eines Autofokus-Verfahrens , mit dem sich automatisiert eine momentane Best-Fokusebene 13 auf finden lässt , die für ein Obj ekt 3 , welches sich in einem bestimmten Arbeitsabstand 11 zu einem optischen Abbildungssystem 1 befindet , eine bestmögliche Bildqualität ermöglicht , vorgeschlagen, dass eine räumliche Lage ( z-Position) , vorzugweise und wenigstens ein weiterer Parameter, eines zum Auf finden der Best-Fokusebene 13 durchgeführten z-Scans 17 in Abhängigkeit eines Schätzwerts 41 für den Arbeitsabstand 11 verändert wird . Hierzu kann der Schätzwert 41 auf Basis einer Ortsinformation bestimmt werden, die von einem externen System, beispiel sweise einem bildbasierten Navigationssystem 36 oder einem zum Verfahren des Abbildungssystems 1 eingesetzten Robotiksystem 34 , abgefragt wird . Durch die assistierte Anpassung des Autofokus kann so die Zeit bis zum Auf finden der Best-Fokusebene 13 verkürzt werden .

Bezugszeichenliste Optisches Abbildungssystem Video-Kamera Objekt Zoom-Optik (verschiebbar oder durchstimmbar) Zoom-Aktuator Fokuslinse (verschiebbar oder durchstimmbar) Fokus-Aktuator optische z-Achse Bildsensor Controller Arbeitsabstand (working distance - zwischen 1 und 3) (momentane) Fokusebene (vorgegeben durch 1 bzw. 6) Best-Fokusebene (um 3 optimal scharf auf 9 abzubilden) Scan-Bereich (entlang von 8 in Bezug auf 12) Schrittweite (Abstand zwischen 12, nach schrittweiser Anpassung der Lage von 12) Länge (von 14) z-Scan innerhalb von 14 Länge von 17 Baugruppe Zentrum (von 14) Lokales Maximum Globales Maximum Frontlinse Zoom-Linse (bidirektionale) Steuerleitung Objektiv Grob-Scan Fein-Scan (momentane) Scan-Richtung (von 17) Objektweite s _o Hauptebene (insbesondere letzte Hauptebene von 26) Bildebene (definiert durch Sensorfläche von 9) 33 Bildweite s _±

34 Robotiksystem (ausgelegt zum Bewegen von 1 bzw. zur Anpassung von 11)

35 Roboterarm 36 Navigationssystem

37 (externe) Kamera

38 Patient

39 Monitor

40 Lagesensor und/oder Beschleunigungssensor 41 Schätzwert (für 11)