CH689406A5 - Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung. - Google Patents

Description

  
 



  Die vorliegende Erfindung betrifft eine stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung. 



  In der Mikrochirurgie wird das vom Chirurgen eingesehene Sehfeld üblicherweise über ein Operationsmikroskop betrachtet. Neben dieser unmittelbaren Betrachtung des interessierenden Sehfeldes über einen am Operationsmikroskop angeordneten binokularen Beobachtungstubus besteht ferner die Möglichkeit, aus den stereoskopischen Beobachtungsstrahlengängen mittels geeigneter Strahlteiler-Elemente Teile der Beobachtungsstrahlengänge auf Video-Kameras auszukoppeln und auf einem Monitor darzustellen. 



  Als problematisch erweist sich hierbei jedoch immer, die Intensitätsverhältnisse in den Beobachtungsstrahlengängen geeignet aufzuteilen, um eine hinreichende Intensität für die verwendeten CCD-Arrays der Video-Kameras zu erhalten. Andererseits darf auch nicht die Intensität im unmittelbaren Beobachtungsstrahlengang derart reduziert werden, dass kein vernünftiger Seheindruck für den operierenden Chirurgen mehr resultiert. 



  In der US 4 987 488 ist zur Lösung dieser Problematik bereits vorgeschlagen worden, das Operationsmikroskop durch eine Video-Kamera-Anordnung zu ersetzen. Die in dieser Patentschrift vorgeschlagene Anordnung weist jedoch den entscheidenden Nachteil auf, dass hiermit kein stereoskopischer, d.h. räumlicher Eindruck des betrachteten Sehfeldes für den operierenden Chirurgen gewährleistet ist. Dies ist jedoch zwingend erforderlich, um die mikrochirurgischen Arbeiten mit der erforderlichen Genauigkeit durchzuführen. 



  Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung zu schaffen, die eine möglichst flexiblen Einsatz gewährleistet und ferner sicherstellt, dass der Beobachter einen dreidimensionalen Gesamteindruck des betrachteten Sehfeldes dargeboten bekommt. 



  Diese Aufgabe wird gelöst durch eine stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen. 



  Die erfindungsgemässe stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung besteht aus dem bekannten optischen System eines Stereomikroskopes inklusive einer Objektiv-Baugruppe mit objektseitig fester Schnitt- oder Brennweite und dieser Objektiv-Baugruppe nachgeordneten optischen Elementen in zwei separaten Teil-Strahlengängen. Diese optischen Elemente dienen z.B. als Vergrösserungswechsel-Einrichtung und können als bekannter Galilei-Wechsler oder als Zoom-Vergrösserungswechsler ausgeführt werden. Bildseitig ist den optischen Elementen jeweils mindestens ein elektrooptischer Bildaufnehmer in den Teil-Strahlengängen nachgeordnet. 



  Erfindungsgemäss wird nunmehr vor der Objektiv-Baugruppe mit objektseitig fester Schnitt- oder Brennweite ein weiteres Objektiv angeordnet, das die Möglichkeit der variablen objektseitigen Entfernungseinstellung bietet. Zudem kann dieses Objektiv auch für eine variable Vergrösserung des betrachteten Objektes ausgelegt sein. Bildseitig ist eine definierte, feste Lage des durch dieses Objektiv erzeugten Zwischenbildes in einer entsprechenden Zwischenbildebene erforderlich. 



  Das Bild in dieser Zwischenbildebene wird über die nachfolgend angeordnete Objektiv-Baugruppe betrachtet bzw. weiter auf die elektrooptischen Bildaufnehmer abgebildet. Die Objektiv-Baugruppe und das Objektiv zur variablen Entfernungseinstellung bilden demnach ein gemeinsames Objektiv-System mit einer internen Zwischenabbildung in eine Zwischenbildebene mit definierter, fester Lage. Die erfindungsgemässe stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung gewährleistet nunmehr, dass über ein einziges, für beiden Teilstrahlengänge gemeinsames optisches Objektiv-System die Fokussierung auf die gewünschte Sehfeldebene erfolgen kann. Desweiteren kann auch die Einstellung einer gewünschten Vergrösserung damit realisiert werden.

   Dies ist beispielsweise gegenüber Stereo-Kameraanordnungen ein immenser Vorteil, bei denen die Fokussierung der beiden konvergent-angeordneten StereoKameras aufwendig synchronisiert werden muss. Hierzu sei etwa die US 4 999 713 beispielhaft erwähnt, in der die komplexe Synchronisation zweier Stereokamera-Zooms beschrieben wird und die beiden Kamera-Einheiten zudem in einem einzigen definierten Konvergenzwinkel zueinander angeordnet sind. 



  Dem Objektiv zur variablen Entfernungseinstellung können dabei optische Systeme nachgeordnet werden, die sowohl dem Grenough-Typ oder aber dem Teleskop-Typ aus Stereomikroskopen entsprechen. Ferner können hierbei jederzeit noch weitere Vergrösserungsstufen wahlweise zwischengeschaltet werden. Insgesamt resultiert eine flexible Verwendung der erfindungsgemässen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung. 



  In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die erfindungsgemässe stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung eine Einheit zur dreidimensionalen Wiedergabe der aufgenommenen Bilder, die für eine Vielzahl von  Beobachtern einen räumlichen Gesamteindruck des interessierenden Sehfeldes anbietet. 



  Ferner erweist es sich als vorteilhaft, das Objektiv zur variablen Entfernungseinstellung mit einem Autofokussiersystem auszustatten. Hiermit wird gewährleistet, dass die interessierende Sehfeldebene jeweils scharf fokussiert auf einem geeigneten Display dargestellt wird. Hierfür kommen verschiedenste Autofokussiersysteme mit passiver oder aktiver Arbeitsweise in Betracht. 



  Im Gegensatz zu Stereokamera-Anordnungen, bei dem die beiden Kamera-Einheiten in einem definierten, festen Konvergenzwinkel zueinander angeordnet sind, ermöglicht die erfindungsgemässe Vorrichtung desweiteren eine Variation der Stereobasis mit Hilfe einer Zwischenbaugruppe, wie sie etwa im Gebrauchsmuster G 9 305 447.5 der Anmelderin beschrieben ist und auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Insgesamt ist somit eine variable Einsatzmöglichkeit für die erfindungsgemässe Vorrichtung gewährleistet. 



  Weitere Vorteile und Einzelheiten der erfindungsgemässen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. 



  Dabei zeigt 
 
   Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des optischen Systems der erfindungsgemässen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung mit einem gemeinsamen, festbrennweitigen Objektiv für zwei TeilStrahlengänge; 
   Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des optischen Systems der erfindungsgemässen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung mit zwei separaten Teilobjektiven für zwei Teil-Strahlengänge; 
   Fig. 3 ein schematisiertes Blockschaltbild einer erfindungsgemässen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung mit einer nachgeordneten Einheit zur Darstellung dreidimensionaler Bilder. 
 



  In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des optischen Systems der erfindungsgemässen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung schematisiert dargestellt. 



  Mit dem Bezugszeichen (1) sei hierbei ein erstes Objektiv bezeichnet, das eine objektseitig variable Entfernungseinstellung durch den Benutzer ermöglicht und zudem gestattet, die Vergrösserung zu variieren. Unterschiedliche objektseitige Entfernungseinstellungen dieses Objektives (1) sind in Fig. 1 durch die beiden objektseitigen Strahlengänge (A) und (B) dargestellt. Zur variablen Entfernungseinstellung können dabei verschiedene bekannte Alternativen eingesetzt werden. So ist es z.B. möglich, das komplette Objektiv (1) relativ zur Bildebene entsprechend der bekannten Abbildungsgleichung zu verschieben.

   Desweiteren kann jedoch auch nur eine oder mehrere der einzelnen Objektiv-Linsen verschoben werden, d.h. es ist auch eine Frontlinseneinstellung oder aber eine Innenfokussierung in bekannter Art und Weise realisierbar, um dergestalt die erforderliche variable Entfernungseinstellung zu gewährleisten. 



  Wesentlich ist bei den erwähnten Alternativen jeweils lediglich eine definierte, feste Bildlage des erzeugten  Zwischenbildes, das vom nachgeordneten optischen System abgebildet bzw. über dieses optische System betrachtet wird, d.h. eine konstante bildseitige Schnittweite. Variabel ist bei den verschiedenen Varianten jeweils die objektseitige Schnitt- und/oder die objektseitige Brennweite. 



  Das Objektiv (1) im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dabei als Objektiv mit fester Brennweite ausgeführt und ermöglicht eine Variation der objektseitigen Schnittweite im Intervall [ INFINITY ; 0,8m]. Dieses - schematisiert dargestellte - Objektiv (1) weist einen bekannten Aufbau auf, wie etwa ein herkömmliches Photoobjektiv, z.B. das Zeiss Planar T*, 1:2, f = 110 mm. Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 sind beispielhaft drei separate Linsen innerhalb des ersten Objektives (1) dargestellt, von denen eines oder mehrere entlang definierter Steuerkurven verschiebbar angeordnet sind, um dergestalt eine Variation der objektseitigen Schnitt- oder Brennweite zu ermöglichen. Das Verschieben einer einzelnen oder mehrerer Linsen kann in bekannter Art und Weise manuell oder aber motorisch erfolgen, wie es auch aus Photo-Objektiven bekannt ist. 



  Wie bereits erwähnt kann dieses Objektiv (1) auch komplett verschiebbar ausgelegt werden, um dergestalt die variable Entfernungseinstellung zu gewährleisten. 



  Das Objektiv (1) liefert nunmehr eine Abbildung des gewünschten Sehfeldes in eine definierte Zwischenbildebene (3). Die Lage der bildseitigen Zwischenbildebene (3) ist dabei fest, d.h. es liegt eine konstante bildseitige Schnittweite des Objektives (1) vor. 



  Das in der Zwischenbildebene (3) erzeugte Zwischenbild wird von der nachfolgend angeordneten Objektivbaugruppe (2) über optische Elemente (4a, 4b) in zwei separaten Teilstrahlen gängen auf zwei in diesen Teilstrahlengängen angeordnete elektrooptische Bildaufnehmer (5a, 5b) abgebildet. Die mittels der elektrooptischen Bildaufnehmer (5a, 5b) registrierten Signale können anschliessend in bekannter Art und Weise weiter verarbeitet werden. Als geeignete elektrooptische Bildaufnehmer (5a, 5b) dienen z.B. bekannte CCD-Arrays, wie sie etwa aus Video-Kameras bekannt sind. 



  Neben der Möglichkeit, zwei separate elektrooptische Bildaufnehmer in den Teilstrahlengängen vorzusehen, ist es aber auch möglich, lediglich einen einzigen elektrooptischen Bildaufnehmer für beide stereoskopischen Teilstrahlengänge zu verwenden, der sequentiell von den beiden Teilstrahlengängen beaufschlagt wird. Hierzu ist vor dem jeweiligen elektrooptischen Bildaufnehmer ein geeignetes Shutterelement angeordnet, welches mit dem Signal-Ausgang des elektrooptischen Bildaufnehmers synchronisiert wird. Geeignete Vorrichtungen mit einem entsprechenden Shutter-Element sind etwa detailliert in den Patentanmeldungen P 4 243 452.1 und P 4 243 556.0 der Anmelderin beschrieben, auf die hier ebenfalls ausdrücklich Bezug genommen sei. 



  In Fig. 1 ist desweiteren in schematisierter Form der Sende-Strahlengang eines aktiven Autofokussiersystemes (17) dargestellt, der eine Marke auf das Sehfeld projiziert, die wiederum über das Objektiv (1) auf einen - nicht dargestellten - Photodetektor abgebildet wird. Die In-Fokus-Position der Marke auf dem Photodetektor ist eindeutig definiert, so dass bei einem resultierenden Auswandern dieser Markierung ein Regelkreis das Objektiv (1) entsprechend nachfokussiert. Eine Beschreibung eines geeigneten Autofokussier-Systemes inklusive eines möglichen Signalverarbeitungsverfahrens ist z.B. in der Patentanmeldung P 4 131 737.8 der Anmelderin enthalten. Alternativ zum skizzierten, aktiven Autofokussiersystem ist jedoch auch jedes bekannte andere Autofokussiersystem in  Verbindung mit der erfindungsgemässen Vorrichtung einsetzbar. 



  Wie bereits erwähnt, bietet die erfindungsgemässe Vorrichtung verschiedene Möglichkeiten, auch die Vergrösserung des betrachteten Objektdetails wunschweise einzustellen. So ist es möglich, das Objektiv (1) in Art und Weise eines bekannten Zoom-Objektives auszulegen, das neben der variablen Entfernungseinstellung auch eine Möglichkeit zur Variation des Abbildungsmassstabes anbietet. Konstant ist erneut die bildseitige Schnittweite, d.h. die definierte Lage der Zwischenbildebene. 



  Alternativ kann das Objektiv (1) wie oben erwähnt jedoch auch nur zur Entfernungseinstellung bei fester bildseitiger Schnittweite ausgelegt werden und die variable Vergrösserung über bekannte Vergrösserungswechsler, z.B. Galilei-Wechsler oder Zoom-Vergrösserungswechsler, in den stereoskopischen Teilstrahlengängen realisiert werden. Die gewünschte (Ausschnitts-)Vergrösserung wird dann in der gleichen Art und Weise eingestellt, wie es etwa auch aus herkömmlichen Stereo-Mikroskopen bekannt ist. Desweiteren ist es zur Variation der Vergrösserung auch möglich, eine oder mehrere komplett separate Vergrösserungs-Stufen zwischen der Zwischenbildebene und der nachfolgenden Objektiv-Baugruppe anzuordnen. 



  Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wurde die zweite Objektivbaugruppe (2) als gemeinsames optisches Element für die beiden Teilstrahlengänge ausgelegt. Eine hierzu alternative Variante der erfindungsgemässen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt. Das erste Objektiv (10) dieses Ausführungsbeispieles sowie die entsprechenden Strahlengänge (A min , B min ) entsprechen dabei dem des ersten Ausführungsbeispieles in  Fig. 1. Dies bedeutet, dass eine objektseitig variable  Entfernungseinstellung des Objektives (10) vorliegt und gleichzeitig eine Abbildung des betrachteten Sehfeldes in eine definierte erste Zwischenbildebene (30) gewährleistet ist. Das gelieferte Zwischenbild wird nunmehr jedoch über zwei separate optische Elemente (40a, 40b) auf die beiden elektrooptischen Bildaufnehmer (50a, 50b) in den beiden Teil-Strahlengängen abgebildet.

   Die beiden optischen Elemente (40a, 40b) bzw. die hierdurch definierten Teil-Strahlengänge sind dabei bereits in einem definierten Stereowinkel zueinander angeordnet, der über eine geeignete Mechanik auch variabel ausgelegt sein kann. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die oben erwähnten Möglichkeiten zur Variation bzw. definierten Einstellung einer gewünschten Vergrösserung realisierbar. 



  Während demnach im ersten Ausführungsbeispiel der stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung in Fig. 1 das dem Objektiv (1) nachgeordnete optische System dem Teleskop-System aus Stereomikroskopen ähnelt, ist im zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Bildaufnahmevorrichtung ein sogenanntes Greenough-System vorgesehen. 



  Ein schematisiertes Blockschaltbild einer erfindungsgemässen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung mit einer nachgeordneten Einheit zur Darstellung dreidimensionaler Bilder ist in Fig. 3 skizziert. 



  Die Signale der elektrooptischen Bildaufnehmern (105a, 105b) werden dabei auf eine nachgeordnete Verarbeitungseinheit (110) durchgeschaltet. Die Verarbeitungseinheit (110) kann nunmehr ein sequentielles Stereobild auf einem geeigneten Display (120) liefern, bei dem die beiden stereoskopischen Teilbilder, aufgenommen durch die beiden elektrooptischen Bildaufnehmer (105a, 105b), als alternierende Halbbilder auf dem Display (120) präsentiert werden. Über eine geeignet synchronisierte Shutterbrille (130) ist  für den Beobachter die dreidimensionale Wahrnehmung dieser Bilder möglich. 



  Eine geeignete Einheit zur Darstellung dreidimensionaler Bilder, d.h. der Verarbeitung der von den elektrooptischen Bildaufnehmern gelieferten Signale, ist etwa in der internationalen Patentanmeldung WO 93/08665 der Anmelderin explizit dargestellt. 



  Die erfindungsgemässe stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung eignet sich vorteilhafterweise zum Einsatz im Operationssaal, wobei die erfindungsgemässe Vorrichtung beispielsweise an der Decke des OPs angeordnet ist und derart Bilder vom Operationsgeschehen liefert, die etwa von Assistenzpersonal etc. auf einem geeigneten Display verfolgt werden können. Bei einer derartigen Anordnung ist ferner eine Beleuchtungseinrichtung vorgesehen, die das interessierende Sehfeld mit der erforderlichen Intensität ausleuchtet. 



  Besonders vorteilhaft erweist sich dabei die integrierte Anordnung der erfindungsgemässen Vorrichtung in einer Operationsleuchte an der Decke des Operationssaales, um dergestalt eine kompakte Vorrichtung zur Verfügung zu haben. Justierprobleme für den Anwender wegen der erforderlichen Relativ-Justierung von Beleuchtung und erfindungsgemässer Bildaufnahme-Vorrichtung entfallen bei einer derartigen Kombination in einem einzigen Gehäuse. Neben der Verwendung im Operationssaal sind jedoch noch vielfältige weitere Einsatzmöglichkeiten für die erfindungsgemässe stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung realisierbar. 

Claims (12)

1. Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung, bestehend aus - einem ersten Objektiv (1, 10) mit objektseitig variabler Entfernungseinstellung, das eine Abbildung in eine definierte erste Zwischenbildebene (3, 30) bewirkt, - einer dem ersten Objektiv (1, 10) nachgeordneten zweiten Objektiv-Baugruppe (2, 40a, 40b) mit objektseitig fester Schnittweite, die von einem Bild in der ersten Zwischenbildebene (3, 30) eine Unendlich-Abbildung bewirkt, - sowie der zweiten Objektiv-Baugruppe (2, 40a, 40b) nachgeordneten optischen Elementen (4a, 4b) in zwei separaten Teil-Strahlengängen, die stereoskopische Teilbilder in definierten Bild-Ebenen liefern, und - in den Bild-Ebenen der beiden Teil-Strahlengänge angeordneten elektrooptischen Bildaufnehmern (5a, 5b, 50a, 50b).

2.

Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Objektiv (1, 10) eine variable Vergrösserungseinstellung ermöglicht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Entfernungseinstellung das komplette erste Objektiv (1, 10) entlang der optischen Achse verschiebbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein oder mehrere einzelne Elemente des ersten Objektives (1, 10) zur Entfernungseinstellung entlang der optischen Achse verschiebbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei in den Teil-Strahlengängen eine Vergrösserungswechsel-Einrichtung angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei den elektrooptischen Bildaufnehmern (105a, 105b) eine Einheit (110, 120, 130) zur dreidimensionalen Darstellung der aufgenommenen Bilder nachgeordnet ist, die mindestens ein Display (120) umfasst.

7.

Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Einheit (110, 120, 130) zur dreidimensionalen Darstellung der aufgenommenen Bilder die stereoskopischen Teilbilder in sequentieller Folge auf dem Display (120) darstellt und ferner mindestens eine schaltbare Blende (130) umfasst, die derart geschaltet ist, dass die stereoskopischen Teilbilder jeweils einem Betrachter-Auge zugeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Objektiv-Baugruppe (2) aus einem einzigen ein- oder mehrteiligen, festbrennweitigen Objektiv für beide Teil-Strahlengänge besteht und die Schnittweite auf die Lage der ersten Zwischenbildebene (3) abgestimmt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Objektiv-Baugruppe aus zwei separaten, den beiden Teil-Strahlengängen zugeordneten ein- oder mehrteiligen, jeweils festbrennweitigen Teil-Objektiven (40a, 40b) besteht.

10.

Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Entfernungseinstellung des ersten Objektives (1, 10) motorisch erfolgt und diesem ersten Objektiv eine Autofokussier-Einrichtung (17; 70) zugeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ein Gehäuse und eine in dem Gehäuse angeordnete Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des zu beobachtenden Sehfeldes umfasst.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Gehäuse an der Decke eines Operationssaales angeordnet ist.